Методические указания к практическим занятиям по дисциплине: «Тепломасообмен в системах отопления, вентиляции и кондиционирования»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено на заседании кафедры

отопления, вентиляции и

кондиционирования

30.06.2011 г.

Методические указания

к практическим занятиям по дисциплине:

«Тепломасообмен в системах отопления,

вентиляции и кондиционирования»

Ростов-на-Дону

2011

УДК 536.24: 621.1.016.4

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине: «Тепломассообмен в системах отопления, вентиляции и кондиционирования»

- Ростов-н/Д. Рост. гос. строит. ун-т, 20с.

Приведены методы решения практических задач. Ланы пояснения по выполнению практических занятий. Изложена последовательность выполнения расчетов то тепломассообмену в отопительных аппаратах систем отопления и вентиляции. Приведены расчетные формулы и основные зависимости используемые в практических расчетах теплообменных аппаратов. Направлению подготовки студентов 270800 «Строительство», профиль подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция». Квалификация выпускника – «Магистр».

Составил: д. т.н.,проф.

Редактор

Темплан 2011 г., поз.

Подписано в печать Формат

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-п. л.

Тираж экз. Заказ

Редакционно-издательский центр РГСУ

Ростов-на-Дону,

© Ростовский государственный строительный

университет, 2011

Содержание

Введение 4

1. Основные положения расчета тепломассообмена 4

2. Теоретические основы решения практических задач 7

3. Пример практических занятий 9

3.1. Раскрытие темы практических занятий 9

3.2. Оценка энтальпии продуктов сгорания газа входящих

и выходящих из теплообменника 10

3.3. Тепловой и конструктивный расчет теплообменника 11

3.3.1. Определение средней логарифмической разности

температур 11

3.3.2. Расчет конструктивных параметров теплообменника 12

3.3.3. Определение коэффициента теплопередачи в

теплообменнике воздухонагревателя 13

Список использованной литературы 15

Приложения 16

Введение

Методические указания предназначены для выполнения практических занятий по дисциплине «Тепломассообмен в системах отопления, вентиляции и кондиционирования» и составлены в соответствии с рабочей программой направления подготовки 270800 «Строительство». Профиль подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция». Квалификация выпускника – «Магистр». Даны пояснения по выполнению практических занятий и методы решения инженерных задач по тепломассообмену в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Изложена последовательность выполнения упражнений, приведены основные формулы. На конкретном примере дан инженерный расчет тепломассообмена между греющим (продукты сгорания газа) и нагреваемым теплоносителем (воздух для системы отопления помещений). Изложен метод разработки программы «Моделирование процесса теплообмена в воздухонагревателе с использованием ПЭВМ».

1.  Основные положения расчета тепломассообмена

Расчет процесса тепломассообмена в аппаратах для нагрева теплоносителя и отопительных приборов систем отопления зданий и сооружений имеет два направления: конструктивный и поверочный [1].

Целью конструктивного расчета является определение площади поверхности теплообменника.

Целью поверочного расчета является установление режима работы теплообменного аппарата. Кроме того, определяются конечные темпера-туры греющего и нагреваемого теплоносителей.

В основу практических расчетов положены классические уравнения тепломассообмена, которые широко используются в инженерных расчетах

тепломассобмена в системах отопления, вентиляции и кондиционирования

Уравнение теплопередачи:

Q = k· F· (t1 – t2) (1.1)

Уравнение теплового баланса:

Q1 = Q2 + ∆Q (1.2)

Q1 =G1·Cp1· δi1 = G1·Cp1·δt1 = G1·Cp1·(ti1 + tii1) (1.3)

Количество теплоты, полученное нагреваемым теплоносителем:

Q2 =G2·Cp2·δi2 =G2·Cp2·δt2 =G2·Cp2 ·(ti2 – tii2) (1.4)

Q1 - количество теплоты, отданное греющим теплоносителем; ∆Q - потери теплоты в окружающую среду; G1, G2 - массовые расходы горячего и холодного теплоносителей; δi1, δi2 - изменение энтальпии теплоносителей; Cp1 , Cp2 - удельные теплоемкости теплоносителей при постоянном давлении; ti1, tii1 -температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата; ti2, tii2 - температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата.

В уравнениях (3) и (4) температурный напор иногда принимается как среднеарифметическое значение при решении вопроса тепломассообмена в системах отопления и вентиляции. Такое решение упрощает процесс расчета, однако возникают значительные погрешности.

Для повышения точности и надежности расчета тепломассообмена в системах отопления и вентиляции используют средне логарифмический расчет более точное определение температурного напора (рис. 19.3; формула 19.18) [2].

∆t ср = ( t б– t м )/2,3lg(t б /t м) (1.5)

tб =ti1 –ti2; tм=tii1 – tii2 (1.6)

∆tср - средняя логарифмическая температура теплоносителей, 0С; tб - температурный напор теплоносителей на входе в теплообменный аппарат, 0С; tм - температурный напор теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата, 0С; ti1 - температура греющего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат, 0С; ti2 -температура нагреваемого теплоносителя при входе в теплообменный аппарат, 0С; tii1 - температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника, 0С; tii2 -температура теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата, 0С.

При рассмотрении процесса теплоты от нагретого теплоносителя и холодного через твердую стенку задача еще более усложняется. Здесь процесс определяется совокупным действием рассмотренных явлений. В качествен примера принимает теплообменник в котором продуктами сгорания нагревается воздуха для отопительно-вентиляционной системы. Здесь от горячих продуктов сгорания к внешней поверхности труб перенос теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением, через стенку трубы - только теплопроводностью; от внутренней поверхности к воздуху – конвекцией и теплопроводностью.

Следовательно, теплопроводность, конвекция и тепловое излучение являются лишь частными условиями общего процесса переноса теплоты. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент теплопередачи k, значение которого определяет количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности стенки от одного теплоносителя (горячего) к другому (холодному) при разности температур между ними в один градус. При этом расчетная формула (1.1) представлена на стр. 5.

Необходимо отметить, что взаимосвязь между коэффициентом теплопередачи k, с одной стороны, и коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи – с другой, зависят от форм стенки, отделяющей горячий теплоноситель греющий) от холодного (нагреваемого).

При определении коэффициента теплопередачи для плоской стенки теплообменника необходимо знать толщину стенки δ, коэффициент теплопроводности λ, и значения коэффициента теплоотдачи: от продуктов сгорания к стенке ɑ1 и от стенки к нагреваемому теплоносителю ɑ2 .

Для плоской однослойной металлической стенки теплообменника для нагрева теплоносителя систем отопления и вентиляции формула определения коэффициента теплопередачи приобретает вид:

k= (ɑ1 · ɑ2)/(ɑ1 + ɑ2) (1.7)

2. Теоретические основы решения

практических задач

В качестве примера рассмотрим нагрев воздуха продуктами сгорания газа в теплообменнике системы воздушного отопления промышленного здания. Общий объем нагреваемого воздуха:

Vo = ko·n·(F·h) (2.1)

Vo - Объем нагреваемого воздуха с учетом коэффициента запаса и кратности воздухообмена, м3/ч; ko - коэффициент запаса нагрева воздуха;

n - коэффициент кратности воздухообмена, зависит от технологического процесса в отапливаемом здании (цехе); F - площадь отапливаемого здания, м2; h - высота отапливаемого здания, м.

Энтальпия воздуха после теплообменника (нагретого).

qв = Vo·Cp2·(ti2 – tii2) (2.2)

Энтальпия греющего теплоносителя (продукты сгорания газа на входе в теплообменник).

qпг= Vпг ·Cp1· ti1 (2.3)

В процессе тепломассообмена в теплообменнике нагрева воздуха продуктами сгорания особое значение на точность расчета поверхности приобретает определение средней логарифмической разности температур. Для этого необходимо выполнить ряд последовательных расчетов.

Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника (tii1) определяется методом решения уравнения (2.4):

(Vпг·Cp1·ti 1) – ((Vо·Cp2 ·(ti 2 – tii 2)) = (Vпг·Cp1·tii

После преобразования уравнения (2.4) путем ввода обозначений энтальпия продуктов сгорания на входе в теплообменник ( qпг ) и энтальпия воздуха после теплообменника ( qв ) получим следующую формулу определения температуры продуктов сгорания после теплообменника.

tii1= (qпг - qв)/(Vпг·Cp1) (2.5)

В процессе тепломассообмена в рассматриваемом теплообменнике возникает температурный напор (перепад температур).

На входе в теплообменник: t б = (ti1 – ti2) (2.6)

На выходе из теплообменника: t м = (tii1- tii2) (2.7)

Средняя логарифмическая разность температур в теплообменнике.

определяется по формуле (1.5).

∆t ср=(t б– t м)/2,3lg(tб/t м)

Общее сечение (площадь) для прохода соответственно нагреваемого воздуха и продуктов сгорания газа.

f в = Vo / Wв ·3

f пг=Vпг/Wпг ·3

Общее число труб в теплообменнике для нагрева воздуха продуктами сгорания газа.

n1= fпг/Wпгф (2.10)

Фактическая (действительная) скорость нагреваемого воздуха и продуктов сгорания газа в теплообменнике составляет.

Wвф = Wв (1+ (t в ср/27

Wпгф =Wпг (1+ t п ср/2

Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб определяют из выражения [2].

ɑ = 0,305· Cz·[ λ·Pr 0,35/d0,4 (W/d)]0,6 (2.13)

Критерий Рейнольдса.

Re =(Wпгф· d)/ν (2.14)

ν - коэффициент кинематической вязкости продуктов сгорания газа в теплообменнике.

Расчетная поверхность теплообменного аппарата для подогрева теплоносителя – воздух систем отопления зданий и сооружений.

F = (q в /(k· ∆t ср)) (2.15)

Длина трубы в теплообменнике для нагрева воздуха систем отопления зданий и сооружений.

L =(F/π·dср·n1) (2.16)

Все темы практических занятий имеют одну направленность по изучению метода практического применения тепломассообмена в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Отличительной особенностью тем практических занятий является то, что в расчетах используются разные теплоносители: греющий – горячая водв или продукты сгорания газа; нагреваемый теплоноситель – холодная вода или воздух. Такое решение позволило в методических указаниях подробно раскрыть одну из тем практических занятий.

3.  Пример практических занятий

3.1 Раскрытие темы практических занятий:

Конспект практических занятий на тему: «Расчет теплообменника греющий теплоноситель продукты сгорания газа, нагреваемый теплоноситель – воздух».

Вопросы:

1. Определение энтальпии продуктов сгорания газа входящих ит выходящих из теплообменника.

2. Определение средней логарифмической разности температур.

3. Расчет конструктивных параметров теплообменника для нагрева воздуха.

4. Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике.

3.2. Оценка энтальпии продуктов сгорания газа

входящих и выходящих из теплообменника

Для последовательного решения поставленных вопросов принимаем систему воздушного отопления компрессорного цеха. Исходные данные [3]

Температура уходящих газов газоперекачивающих агрегатов (ГПА)

ti1= 350 0С

Минимальная температура наружного воздуха ti2= -40 0С

Объем обогреваемого машинного цеха Vмаш цех =6840 м3

Объем галереи нагнетателей Vгал наг =2430 м3

Температура подогрева воздуха системы отопления tii2 = 40 0С

Кратность воздухообмена в отапливаемом цехе по

условиям безопасной эксплуатации компрессорного

цеха принята равной n= 3

Общий объем нагреваемого воздуха с учетом

Коэффициента запаса k=1,10

Общий объем нагреваемого воздуха определяем с учетом принятых коэффициентов:

Vв=k·n· (Vмаш цех+Vгал наг)= 1,10 3·(5480+2340)=30000 м3/ч

Для удобства эксплуатации, проведения ремонтных и профилакти-ческих работ принимаем к установке 3 воздухонагревателя (по одному на каждый ГПА). При этом учитываем, что два ГПА постоянно находятся в работе и соответственно два воздухонагревателя обеспечивают систему воздушного отопления машинного зала и галереи нагнетателей. Объем нагреваемого воздуха в каждом воздухонагревателе составляет:

Vн. в. =Vв /2 =30000/2= 15000 м3/ч

3.3. Тепловой и конструктивный расчет теплообменника.

Основными параметрами конструктивного расчета теплообменника воздухонагревателя являются: объем нагреваемого воздуха и продуктов сгорания газа

Расход продуктов сгорания газа принимаем равным: Vпг =10000 м3/ч

или м3/с Vпгс = Vпг/τ = 10000/3600 =2,77 м3/с

Расход нагреваемого воздуха:

Vвс =Vнв /τ = 15000/3600= 4,16 м3/с

Средняя объемная теплоемкость воздуха и продуктов сгорания соответственно равна [2]:

Ср2 = 1,30 кДж/(м3 град); Ср1 = 1,34 кДж/(м3 град)

Энтальпия нагретого воздуха на выходе из теплообменника:

q в= Vнв ·C p2 ·(tii2 – ti2) = 15000 ·1,30 ·[]=1560000 кДж/ч

Ввиду того, что теплообменник (воздухонагреватель) предназначен для отопительно-вентиляционных систем, потери теплоты в окружающую среду в расчетах не учитываем:

Энтальпия продуктов сгорания газа, входящих в теплообменник:

q п. г. = Vпг·Cp1·ti1 = 10000·1,34· 350 = 4690000 кДж/ч

Энтальпия продуктов сгорания газа на выходе из теплообменника:

qнгв = q пг - q в = 4690000 – 1560000 = 3130000 кДж/ч

3.3.1 Определение средней логарифмической

разности температур

В процессе тепломассообмена в теплообменнике происходит нагрев воздуха продуктами сгорания газа, при этом, особо значение на точность расчета поверхности теплообмена приобретает определение средней логарифмической разности температур. Для этого необходимо выполнить ряд последовательных расчетов.

Температура продуктов сгорания газа на выходе из теплообменника:

tii1 = q пгв /V пг ×Cp1 = 3130000/10000 × 1,34 =233 0С

В теплообменнике принята схема противотока теплоносителей продуктов сгорания и нагреваемого воздуха.

Температурные параметры нагреваемого воздуха.

ti 2 = - 40 0C нагревается до tii 2 = 40 0C

Температурные параметры продуктов сгорания газа..

ti 1 = 350 0C понижается до tii 1 =233 0C

За счет тепломассообмена между продуктами сгорания газа и нагреваемым воздухом возникает перепад температур (температурный напор).

t б = (ti 1 – ti 2) = (350-40) = 310 0С

t м = (tii 1 – tii 2) = (233-(-40)) =273 0С

Средняя логарифмическая разность температур

Dt = (t б - t м )/2,3lg(t б /t м )

Dt = (310 – 273)/2,3lg(310/273) = 300 0C

3.3.2 Расчет конструктивных параметров

теплообменника

Значительное влияние на процесс тепломассообмена в газовоздушном теплообменнике оказывает как скорость продуктов сгорания газа так и скорость нагреваемого воздуха. В последующем расчете принимаем условную скорость продуктов сгорания газа и нагреваемого воздуха в теплообменнике, которые соответственно приняты:

Продукты сгорания газа W г= 8 м/с; Нагреваемый воздух W в = 16 м/с

Общее сечение каналов для прохода продуктов сгорания газа:

f в= Vв /Wв ×3600 = 15000/16× 3600 = 0,26 м2

Общее сечение каналов для прохода продуктов сгорания газа.

f пг = Vпг /Wпг ×3600 = 10000/8 ×3600 = 0,347 м2

В теплообменнике принято, что продукты сгорания газа проходят внутри теплообменных труб, а нагреваемый воздух обтекает трубы снаружи. Выбираем для теплообменника стандартные трубы диаметром 53/60 мм.

Сечение одной трубы (в свету):

f o =0,785 (0,053)2 = 0,0022 м2

Общее число труб на пути потока продуктов сгорания газа.

n = fпг /f0 = 0,347/0,0022 = 156 шт.

Принимаем расположение труб шахматное и в плане трубы расположены по прямоугольнику по току воздуха – 13 рядов и в направлении, поперечном току воздуха - 12 рядов

Шаг труб в направлении движения тока нагреваемого воздуха и поперек его принимаем:

S1 = S2 = 1,5 ×d = 1, 5× 60 = 90 мм

Ширина воздушных каналов а =0,03 м. Высота каналов одного хода воздуха.

В =f в /12× а = 0,26/12× 0,03 = 0,70 м

3.3.3 Определение коэффициента теплопередачи

в теплообменнике воздухонагревателя

Средняя температура нагреваемого воздуха в теплообменнике воздухонагревателя равна.

t ср = ti 2 + tii 2 = (-40 +40)/2 = 0 0С

Фактическая (действительная) скорость воздуха при температуре 0 0С.

W = W (1+ a ×tср) = 16 м/с

Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков определяют из выражения:

a =0,305× Сz·[l×Pr 0,35 /d 0,4 (W/d)] 0.6

где Сz – поправка на число рядов труб в направлении движения продуктов сгорания газа (Сz =1,0); Р r - Критерий Прандтля (Pr =n/a)

или определяем по номограмме [1]. a н = 86 Вт/(м2 ×град)

Поправочные коэффициенты: Сz =1,0; C s = 1,0; C ф =0,88.

aв = aн ×Сz ×Cs ×Cф = 86×1,0 ×1,0× 0,88 = 75,7 Вт/(м2 град)

Средняя температура продуктов сгорания газа в теплообменнике.

t ср=( ti 1 + tii 1)/2 = (350 + 233)/2 = 291 0С

Фактическая (действительная) скорость продуктов сгорания газа с учетом средней температуры в теплообменнике.

W гф = Wг [(1+(a× t ср )] = 8 [1 + (291/273)] =16,53 м/с

Коэффициент кинематической вязкости продуктов сгорания газа [1].

n = 48×10 -6 м2/с

Критерий Рейнольдса:

Re =(Wгф ×d)/n =(16,53 ×0,053)/48=18250

Режим движения продуктов сгорания газа турбулентный, при этом коэффициент теплоотдачи продуктов сгорания газа к стенке трубчатого теплообменника принимаем по номограмме [2]:

a г = 47 Вт/(м2 град)

Ввиду низкой температуры продуктов сгорания газа и малого содержания трехатомных газов коэффициентом теплоотдачи от газов излучением пренебрегаем. При этом, коэффициент теплопередачи в теплообменнике воздухонагревателя составит:

k = (a в × a г )/(a в + a г) =(75,70 × 47,0)/(75,70 + 47,0) =29 Вт/(м2 град)

Необходимая (расчетная) поверхность в теплообменнике воздухонаг-

ревателя:

F = (q /k × Dt) = (1560000/29 ×300 = 50 м2

Средний диаметр труб в теплообменнике.

d ср= (d н + d в )/2 = (0,06 + 0,053)/2 = 0,0565 м.

Длина труб в теплообменнике.

L = (F/p ×d ср ×n) =(50/3,14 ×0,0565×156) =1,81 м

Ранее было определено, что высота одного хода воздуха должна составлять 0,7 м. Принимаем в в теплообменнике по потоку нагреваемого воздуха три хода. Расчетная длина труб составляет: L тр = 3× 0,70 = 2,10 м.

Список использованной литературы

1. , основы теплопередачи. Изд. 2-е, стериотип. М.: Энергия. 197с.

2. , , Сукомел . Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Энергия. 1975. – 488 с.

3. Широков и охрана воздушного бассейна на предприятиях газовой промышленности. Учеб. Пособие.- М.: Издательский центр «Академия». 1999. – 288 с.

4. , , Дятлов энерготехнологическое использование газа и охрана воздушного бассейна. – М.: Дело, 1997. – 308 с.

5. , Бессчетный использование природного газа в энергоснабжении предприятий машиностроительной промышленности. – Ростов-н/Д, Рост. гос. строит. ун-т. 20с.

Приложение А

Физические свойства сухого воздуха

(РБ= 760 мм рт. ст. = 1,013·105 Па)

t, 0C	ρ кг/м3	Ср кДж/(кг 0С)	λ· 102 Вт/(м 0С)	ɑ·106 м2/с	μ·106 Па·с	ν· 106 м2/с
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200	1,594 1,515 1,543 1,395 1,342 1,293 1,247 1,205 1,165 1,128 1,093 1,080 1,029 1,000 0,972 0,946 0,898 0,854 0,810 0,779 0,746 0,674 0,615 0,556 0,524 0,456 0,404 0,362 0,329 0,301 0,277 0,257 9,239	1,013 1,013 1,013 1,009 1,009 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,009 1,009 1,009 1,009 1,009 1,013 1,017 1,022 1,026 1,038 1,947 1,059 1,068 1,093 1,114 1,135 1,156 1,172 1,185 1,197 1,210	2,04 2,12 2,20 2,28 2,36 2,44 2,51 2,59 2,67 2,76 2,83 2,90 2,96 3,05 3,13 3,21 3,34 3,49 3,64 3,78 3,93 4,27 4,60 4,91 5,21 5,74 6,22 6,71 7,18 7,63 8,07 8,05 9,15	12,7 13,8 14,9 16,2 17,4 18,8 20,0 21,4 22,9 24,3 25,7 27,2 28,6 30,2 31,9 33,6 36,8 40,3 43,9 47,5 51,4 61,0 71,6 81,9 93,1 115,3 138,3 163,4 188,8 216,2 245,9 276,2 316,5	14,6 15,2 15,7 16,2 16,7 17,2 17,6 18,1 18,6 19,1 19,6 20,1 20,6 21,1 21,5 21,9 22,8 23,7 24,5 25,3 26,0 27,4 29,7 31,4 33,9 36,2 39,1 41,8 44,3 46,7 49,0 51,2 53,5	9,23 10,05 10,80 11,61 12,43 13,28 14,16 15,06 16,00 16,96 17,85 18,97 20,02 21,09 22,10 23,13 25,45 27,80 30,09 32,49 34,85 40,61 48,38 55,46 68,09 79,38 96,89 115,40 134,80 155,10 177,10 199,30 233,70

Приложение Б

Физические свойства дымовых газов

(РБ = 760 мм рт. ст. = 1,013 ·105 Па, Р со2 =0,13;

Р н2о= 0,11; Р N2 = 0,76 )

t, 0C	ρ, кг/м3	Ср кДж/(кг ·0С)	λ·102 Вт/(м 0С)	ɑ· 106 м2/с	μ·106 Па ·с	ν·106 м2/с
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200	1,296 0,950 0,748 0,617 0,525 0,457 0,405 0,363 0,330 0,301 0,275 0,257 0,240	1,042 1,068 1,097 1,122 1,151 1,185 1,214 1,239 1,264 1,290 1,306 1,323 1,340	2,28 3,13 4,01 4,84 5,70 6,56 7,12 8,27 9,15 10,00 10,90 11,75 12,62	16,9 30,8 48,9 69,9 94,3 121,1 150,9 183,8 219,7 258,0 303,4 345,5 392,4	15,8 20,4 24,5 28,2 31,7 34,8 37,9 40,7 43,4 45,9 48,4 40,7 53,0	12,20 21,64 32,80 45,81 60,38 76,80 93,61 112,10 131,80 152,50 174,30 187,10 221,00